MySQL索引（二）B+樹在磁盤中的存儲
回顧

上一篇文章《MySQL索引為什么要用B+樹》講了MySQL為什么選擇用B+樹來作為底層存儲結構，提了兩個知識點：
- B+樹索引並不能直接找到行，只是找到行所在的頁，通過把整頁讀入內存，再在內存中查找。
- 索引的B+樹高度一般為2-4層，查找記錄時最多只需要2-4次IO。
為進一步知其所以然，今天來聊聊B+樹索引在物理磁盤上是怎么設計存儲的。
一、理解為什么要減少磁盤IO次數
眾所周知，MySQL的數據實際是存儲在文件中，而磁盤IO的查找速度是要遠小於內存速度的，所以減少磁盤IO的次數能很大程度的提高MySQL性能。
1.1 磁盤IO為什么慢
先溫習下知識點：磁盤IO時間 = 尋道 + 磁盤旋轉 + 數據傳輸時間
從磁盤讀取數據時，系統會將邏輯地址發給磁盤，磁盤將邏輯地址轉換為物理地址（哪個磁道，哪個扇區）。 磁頭進行機械運動，先找到相應磁道，再找該磁道的對應扇區，扇區是磁盤的最小存儲單元（見圖1-1）。
 圖1-1 磁盤物理結構
1.2 性能對比
機械硬盤的連續讀寫性能很好，但隨機讀寫性能很差。
- 順序訪問：內存訪問速度是硬盤訪問速度的6~7倍（
kafka的特點，以后有機會的話再講一講） - 隨機訪問：內存訪問速度就要比硬盤訪問速度快上10萬倍以上
隨機讀寫時，磁頭需要不停的移動，時間都浪費在了磁頭尋址上。 而在實際的磁盤存儲里，是很少順序存儲的，因為這樣的維護成本會很高。
二、索引在磁盤上的存儲
知道磁盤IO的性能了吧，接下來看看MySQL是如何根據這種情況來設計索引的物理存儲，以下內容以InnoDB引擎為例，MyISAM略有不同，后面再講。
假設我們有一張這樣的表，表中有如圖2-0的數據
CREATE TABLE `user` ( `ID` bigint(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT, `NAME` varchar(20), PRIMARY KEY (`ID`), KEY `idx_name` (`NAME`) ) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8; 復制代碼
圖2-0 表數據
2.1 聚集索引（Clustered index ）
每個InnoDB表都有一個稱為聚集索引的特殊索引，該索引是按照表的主鍵構造的一棵B+樹。
根據示例數據構建如圖2-1所示聚集索引：
 圖2-1 B+樹聚集索引
2.1.1 知識點
- 葉子節點存放了整張表的所有行數據。
- 非葉子節點並不存儲行數據，是為了能存儲更多索引鍵，從而降低B+樹的高度，進而減少IO次數。
- 聚集索引的存儲在物理上並不是連續的，每個數據頁在不同的磁盤塊，通過一個雙向鏈表來進行連接。
2.1.2 查找：假設要查找數據項6
- 把根節點由磁盤塊0加載到內存，發生一次IO，在內存中用二分查找確定6在3和9之間；
- 通過指針P2的磁盤地址，將磁盤2加載到內存，發生第二次IO，再在內存中進行二分查找找到6，結束。
這里只進行了兩次IO，實際上，每個磁盤塊大小為4K，3層的B+樹可以表示上百萬的數據，也就是每次查找只需要3次IO，所以索引對性能的提高將是巨大的。

2.1.3 怎樣選擇聚集索引
每張InnoDB表有且只有一個聚集索引，那它是怎么選擇索引的呢？
- 一般情況，用
PRIMARY KEY來作為聚集索引。 - 如果沒有定義
PRIMARY KEY，將會用第一個UNIQUE且NOT NULL的列來作為聚集索引。 - 如果表沒有合適的
UNIQUE索引，會內部根據行ID值生成一個隱藏的聚簇索引GEN_CLUST_INDEX。
所以在建表的時候，如果沒有邏輯唯一且非空列時，可以添加一個auto_increment的列，方便建立一個聚集索引。
2.2 非聚集索引（Secondary indexes）
非聚集索引又叫輔助索引，葉子節點並不包含行記錄數據，而是存儲了聚集索引鍵。
根據示例數據（idx_name索引）構建如圖2-2所示輔助索引：
 圖2-2 B+樹非聚集索引
2.2.1 知識點
- 每個表可以有多個輔助索引
- 通過輔助索引查數據時，先查找輔助索引獲得聚集索引的主鍵，然后通過主鍵索引來查找完整的行記錄。
- 通過非主鍵索引比主鍵索引查找速度要慢一倍。
2.2.2 查找：獲取NAME=Jake的數據
第一階段：通過輔助索引查到主鍵索引的主鍵
- 把idx_name索引的根節點由磁盤塊0加載到內存，發生一次IO，查找到在P2指針中
- 根據P2指針的磁盤地址，加載磁盤塊2到內存，發生第二次IO，查找到Jake節點以及它的主鍵索引9
第二階段：通過主鍵索引找到完整的行記錄
- 把根節點由磁盤塊0加載到內存，發生一次IO，在內存中用二分查找確定9在P3指針中
- 通過指針P3的磁盤地址，將磁盤3加載到內存，發生第二次IO，再在內存中進行二分查找找到9，以及它的行記錄，
查找結束。
未完待續…
原文鏈接：MySQL索引（二）B+樹在磁盤中的存儲 - 掘金 https://juejin.im/post/5cef2c43e51d45572c05ffe3